Modelovanı biologickych systemu

Radek Pelanek

Modelovanı v biologickych vedach

typicky cıl: pomocı modelu se snazıme pochopit, jak biologickesystemy fungujı

model zahrnuje nase chapanı

simulace ukazuje, zda model odpovıda realite

Vyhody vypocetnıho modelovanı

nutı ujasnit detaily, ukazuje mezery v porozumenı

moznost”manipulovat“ s casem a prostorem, vyzkouset

mnoho ruznych variacı

nikdo pri tom neumıra ani netrpı

levne (relativne vuci experimentum)

samozrejme vsak: nutne kombinovat s realnym sberem dat,experimenty, . . .

Prıklady: na urovni bunek, organismu

vyvoj:

rust organismuformovanı vzorudiferenciace bunekvliv parametru (napr. teploty) na procesy

chovanı tvoru, strategie:

vyber lovist’

vyber partnera

Prıklady: na urovni druhu

populacnı dynamika:

predator-koristvekova strukturaimigrace, emigrace

socialnı chovanı: hejna, stada, organizace mraveniste

epidemie

Prıklady: na urovni ekosystemu

evoluce: zkoumanı evolucnıch mechanismu

znecistenı: sırenı znecistenı, vliv znecistenı na biologickeprocesy, ozonova dıra

prostorove modely: vyvoj krajiny, porostu (propojenı sGIS)

Bioinformatika

”vyuzitı pocıtacu v biologickem vyzkumu“

dva zakladnı smery:

objevovanı znalostı:

zıskavanı a analyza rozsahleho mnozstvı datnapr. sekvenovanı genomu

modelovanı a simulace:

vytvarenı a analyza modelusrovnavanı vystupu simulacı s realitou

Systemova biologie

duraz na vztahy, interakce

vyuzitı vypocetnıch metod, modelu

SBML – System Biology Markup Language

in vivo, in vitro, in silico

Systemova biologie – pro zajemce

obor Bioinformatika, zamerenı, laborator Sybila

predmety

PB050 Modelovanı a predikce v systemove biologiiPA052 Uvod do systemove biologiePA054 Formalnı modely v systemove biologii

Uri Alon (knihy, clanky, YouTube prednasky)

Systemova biologie

Systemova biologie

Nekterı lide predpovıdajı eru systemove biologie, ve ktere jeschopnost vytvaret matematicke modely popisujıcı funkci sıtegenu a proteinu stejne dulezita jako tradicnı laboratornıdovednosti. (D. Butler)

Vyvoj vulvy u C. elegans

Computational insights into Caenorhabditis elegans vulvaldevelopment

studium vyvoje bunek – geneticka informace je ve vsechbunkach stejna, to jak se bunka vyvine zavisı na

”signalech“, ktere si vymenuje s okolnımi bunkami

Caenorhabditis elegans – maly cerv

oblıbeny objekt studia v biologii (modelovy organismus)

asi 1000”invariantnıch“ bunek, zmapovan osud kazde

bunkysekvenovan genom

Vyvoj vulvy

6 bunek (vulval precursor cells)

kazda z nich se adaptuje na jednu ze trı moznostı (fate):primarnı (1’), sekundarnı (2’), ternarnı (3’)

o tom, jaka moznost nastane se rozhoduje pomocımezibunecnych signalu (tri druhy signalu)

Vyvoj vulvy

normalnı okolnosti ⇒ rozhoduje vzdalenost od”anchor

cell“ (AC)

standardnı”konfigurace“ bunek

3’, 3’, 2’, 1’, 2’, 3’

mutace (zmena genu, odstranenı AC) ⇒ jine konfigurace

Klasicke biologicke modely

biologicke experimenty s ruznymi mutacemi →pozorovanı → model

staticke diagramy bez presne semantiky

znazornujı vztahy (umoznenı/zakazanı)

neumoznujı simulaci

Model pomocı statecharts

statecharts – formalismus pro modelovanı pocıtacovychsystemu (zejmena design), soucast UML

formalizace biologickeho modelu: spustitelna,simulovatelna

nutno doplnit chybejıcı detaily, skryte hypotezy

vede k objevenı nesrovnalostı mezi modelem abiologickymi pozorovanımi, k upresnenı modelu, doplnenıtemporalnıch vztahu

Model vyvoje vulvy: poznamka

pri absenci AC dochazı k vzniku konfigurace1’, 2’, 1’, 2’, 1’, 2’

puvodnı model vede ke konfiguraci 1’, 1’, 1’, 1’, 1’, 1’

u realneho (biologickeho) systemu bunky nikdy nejsousoucasne primarnı (1’)

”vzajemne vyloucenı“

Genetic regulatory networks

regulacnı sıte genove exprese

geny se projevujı tvorbou proteinu

proteiny ovlivnujı mıru s jakou se geny projevujı

slozite sıte vzajemnych vztahu, zpetne vazby

analyza pomerne slozita; hojne vyuzitı modelu

Zaklady

DNA nese genetickou informaci

RNA prenos informace mezi DNA a proteiny

proteiny vykonavajı vetsinu uzitecne prace v buncenapr. prenos kyslıku, katalyzace, ...regulace prepisu DNA, tj. regulace exprese genu

Modely

boolean networks binarnı stavy pro vyjadrenı stavu (expresegenu, prıtomnost proteinu), synchronnı∼ modely hardwaru

kineticke modely diskretnı stavy (zadna exprese, mırnaexprese, ...), asynchronnost∼ modely protokolu

diferencialnı rovnice promenne = koncentrace proteinu, mıraexprese genu∼ systemove modely

hybridnı modely kombinace diskretnıch a spojitych prvku,stochasticke jevy, ...∼ modely vestavenych systemu

Prıklad: rovnice

Prıklad: stavovy prostor

Chemotaxe bakteriı

chemotaxe = pohyb organismu dle vyskytu chemikaliı vjeho okolı

chemotaxe bakteriı – pohyb smerem k nejvyssıkoncentraci potravy

Model struktury lesa

prostorovy model brezoveho lesa

mrızka, kazde pole reprezentuje pole 15x15 metru

rekonstrukce mozaikoviteho charakteru lesa

reakce na mimoradne udalosti (boure)

Jedno pole

Stav simulace

Hledanı teritoria

Shrnutı

hlavnı cıl modelovanı: porozumenı svetu

vypocetnı modelovanı vhodne doplnuje dalsı metodyzkoumanı

mnoho ruznych technik, mnoho urovnı abstrakce